脱落酸与低温驯化协同调控抗氧化防御系统增强水稻幼苗耐冷性机制研究

《Plant Stress》：Abscisic acid and chilling acclimation improve cold tolerance in rice seedling plants by modulating the antioxidative defense system

本研究针对低温胁迫严重制约水稻生产的难题，探讨了外源脱落酸（ABA）与低温驯化（CA）对水稻幼苗耐冷性的协同调控机制。研究发现ABA通过激活抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）、降低活性氧（ROS）积累（H2O2和O2?）并上调关键基因（OsLEA3、OsPsbR1等），显著提升幼苗存活率与生物量，为水稻抗冷育种提供新策略。

　　

全球气候变局下，低温胁迫已成为制约水稻生产的重要非生物胁迫因素。尤其在高纬度与冷凉地区，春季低温常导致水稻幼苗出苗不齐、叶片黄化、根系损伤甚至烂秧，严重影响水稻产量与粮食安全。尽管水稻作为全球半数人口的主粮作物，其耐冷机制仍亟待深入解析。植物激素脱落酸（Abscisic Acid, ABA）作为应激响应关键调节因子，在低温应答中扮演核心角色，但其与低温驯化（Chilling Acclimation, CA）过程的交互作用尚不明确。是否存在协同增效或潜在拮抗？这一科学问题对开发新型农业策略至关重要。

为此，来自华中农业大学的研究团队在《Plant Stress》发表了最新成果，系统探讨了外源ABA与CA如何通过调控抗氧化防御系统及基因表达网络来增强水稻耐冷性。研究通过多层次筛选策略，首先评估了26个遗传背景各异的水稻基因型在低温胁迫（CS）与不同ABA浓度下的表型响应，进而聚焦5个代表性基因型（NIP、9311等），结合生理生化指标与分子实验，揭示了ABA与CA互作的深层机制。

研究主要采用以下关键技术方法：1）表型分析：测定存活率（SR）、鲜重（SFW）等生长指标；2）生理生化检测：通过比色法测定渗透调节物质（可溶性糖、脯氨酸）、膜损伤标志物丙二醛（MDA）及活性氧（H₂O₂、O₂^?）含量；3）抗氧化酶活性测定：采用超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性检测；4）基因表达分析：利用定量实时PCR（qRT-PCR）检测ABA与冷响应基因（如OsDREB2A、OsLEA3、OsSNAC1等）表达；5）实验设计：包含低温胁迫（6°C）、低温驯化（12°C预处理后转6°C）及外源ABA叶面喷施（0-100 μM）等多重处理。

3.1 ABA与低温处理对水稻萌发及幼苗生长的影响

低温胁迫显著降低所有基因型的存活率与幼苗生长，但基因型间响应差异显著。低温驯化（CA）处理大幅提升耐冷性，其中NIP基因型在CA处理2天后存活率提高77.32%，鲜重增加81.58%，表明CA有效诱导了生理适应性变化。外源ABA喷施进一步促进生长，且呈浓度依赖性，100 μM ABA使Barbado基因型存活率提升63.70%。

3.2 ABA调控生长相关性状

表型观察显示，NIP对CA响应最显著，而9311响应最弱。ABA叶面喷施（尤其50 μM）显著改善冷胁迫下幼苗的存活率与鲜重，其中NIP的存活率提升91.86%。这表明ABA可通过气孔进入植物体，调节代谢与细胞周期相关基因，促进叶表皮发育与光合机构保护。

3.3 ABA增强渗透调节与减轻膜损伤

CA处理显著提升可溶性糖（TSS）与可溶性蛋白（TSP）含量（IRAT 170基因型分别增加37.66%与5.76%），而ABA喷施（10 μM）进一步强化这一效应。脯氨酸作为渗透保护剂，在ABA处理下积累增加（NIP提高9.57%）。同时，ABA有效降低膜脂过氧化产物MDA含量（NIP在50 μM ABA下降低53.13%），证实其能维持膜完整性。

3.4 ABA减轻活性氧积累

组织化学染色显示，冷胁迫导致H₂O₂与O₂^?大量积累，而CA与ABA处理显著抑制ROS生成。例如，IRAT 170在ABA处理下O₂^?含量降低45.01%。ABA通过调节质膜NADPH氧化酶活性与抗氧化酶系统，协同维持细胞氧化还原稳态。

3.5 ABA激活抗氧化酶系统

CA处理提升SOD、POD、CAT活性（NIP的SOD与CAT分别增加48.16%与55.01%），而ABA喷施（50 μM）进一步强化酶活（NIP的POD活性提高57.52%）。基因型间差异显著，耐冷型Barbado与IRAT 170响应更强，敏感型9311则较弱，说明遗传背景影响ABA效能。

3.6 ABA调控冷响应基因表达

qPCR分析揭示，ABA与CA协同调控关键基因网络。保护性基因OsLEA3（晚期胚胎发生丰富蛋白）显著上调（NIP提高37.51%），而初级转录因子OsDREB2A（脱水响应元件结合蛋白）与OsSNAC1（NAC家族转录因子）则下调（NIP分别降低77.62%与83.52%），表明ABA可能通过负反馈机制精细调控应激响应。此外，光合相关基因OsPsbR1/3与ABA诱导基因OsRAB16A均上调，印证了ABA在多层面增强细胞保护。

本研究结论鲜明：外源ABA（50 μM）与短期CA（2天）协同应用可最大程度提升水稻耐冷性，其机制涉及抗氧化防御系统的激活、渗透平衡的维持以及关键基因网络的精细调控。OsLEA3的上调与OsDREB2A的下调提示存在一种新型反馈环路，避免应激响应过度消耗能量。这一发现不仅深化了对ABA-CA互作的理解，更为作物抗冷育种提供了可操作的农艺策略——通过叶面喷施ABA增强幼苗抗逆性，应对突发低温灾害。未来研究需聚焦蛋白质互作网络构建及田间验证，以推动该策略的实际应用。